一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量均衡路由算法

摘要：文章提出一種基于OMNET++仿真下的無線傳感網(wǎng)絡(luò)WSNs（Wireless Sensor Networks）能量均衡的路由算法。算法通過WSN節(jié)點的路由表，以跳數(shù)和剩余能量作為參數(shù)實現(xiàn)分簇及簇首的選擇，節(jié)點采用多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳送到簇首。OMNET++仿真結(jié)果表明，該算法與LEACH算法相比可以均衡網(wǎng)絡(luò)能量的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

關(guān)鍵詞： WSNs； 路由表； 剩余能量； 多跳路由

中圖分類號： TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs，Wireless Sensor Networks）是一種綜合了無線通信、傳感、微電子以及嵌入式計算等諸多領(lǐng)域的跨學(xué)科技術(shù)[1]，被廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，是對21世紀(jì)人類生活產(chǎn)生重大影響的IT技術(shù)之一[2]。目前，針對WSNs的研究主要體現(xiàn)在如何利用有限的節(jié)點能量提高網(wǎng)絡(luò)的生存周期及服務(wù)質(zhì)量，相關(guān)研究[1，2]表明采用高效的路由算法可以提高WSN整體性能及服務(wù)質(zhì)量。其中LEACH算法（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）[3] 和PEGASIS[4]算法是比較有代表性的經(jīng)典路由算法。

1 相關(guān)研究

基于簇的WSNs路由協(xié)議，是目前國內(nèi)外路由協(xié)議研究重點之一，分簇路由協(xié)議關(guān)鍵是如何選擇簇首，如何傳輸聚類數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計；在同一簇內(nèi)可以采用不同的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。文獻(xiàn)[3-6]中提出的路由算法目標(biāo)是找到節(jié)點或者整個網(wǎng)絡(luò)能量消耗最小化的優(yōu)化路徑。文獻(xiàn)[2]提出的LEACH算法和文獻(xiàn)[4]提出的PEGASIS算法考慮能量消耗的均衡。LEACH 路由算法[2]是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中被廣泛應(yīng)用的分簇算法。改算法采用隨機(jī)、自組織的的分簇方法。圖1描述了基于LEACH算法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分成5個分簇，每個分簇有一個黑圈表示簇首，其余節(jié)點是非簇首節(jié)點。LEACH算法每一輪隨機(jī)選擇簇首節(jié)點，整個網(wǎng)絡(luò)的能耗負(fù)載均衡分布到每一個節(jié)點能延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。由于簇頭與Sink間采用一跳的方式，要求通信節(jié)點具有較高的通信能力，因此LEACH不適用于較大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

LEACH算法有以下三方面的不足：（1） 簇內(nèi)隨機(jī)選擇簇首，沒有考慮每個節(jié)點剩余能量的情況，簇內(nèi)能量消耗不均衡； （2）簇內(nèi)隨機(jī)選擇簇首節(jié)點能降低能量消耗，但是重新聚類會增加能量的消耗。

在此基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一種基于OMNET++仿真下的能量均衡路由算法，本算法通過節(jié)點的剩余能量和到簇首跳數(shù)，來實現(xiàn)分簇以及簇首的選舉，并采用多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳送到匯聚點。最后仿真來驗證算法控制網(wǎng)絡(luò)成簇過程及簇間通信，使網(wǎng)絡(luò)分簇拓?fù)涓雍侠恚芰扛泳猓行岣吡司W(wǎng)絡(luò)生存時間。

2 關(guān)于OMNET++[11]

OMNET++是一款開源的，免費的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，類似NS-2。相比OPENET商業(yè)收費軟件，具有免費的優(yōu)越性，目前在網(wǎng)絡(luò)仿真領(lǐng)域是一款比較流行的仿真軟件。Objective Modular Network Testbed in C++是OMNeT++的英文全稱。該軟件是基于組件和模塊開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)平臺，一般是基于離散事件，它的圖形界面接口能量非常強(qiáng)大和完善。OMNET++主要用于無線通信網(wǎng)絡(luò)，協(xié)議仿真等方面的建模分析。尤其目前在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

3 基于路由表的能量均衡算法

3.1 WSNs網(wǎng)絡(luò)模型

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布在WSNs監(jiān)控區(qū)域內(nèi)（如圖2所示），感知監(jiān)控范圍的數(shù)據(jù)，并通過一定的通信技術(shù)把數(shù)據(jù)處理后傳送到Sink節(jié)點。Sink節(jié)點通過GPS、移動通信或因特網(wǎng)等通信方式完成于外部網(wǎng)絡(luò)的通信。

本文假設(shè) 個傳感器節(jié)點隨機(jī)分布在矩形監(jiān)控區(qū)域內(nèi)， 為監(jiān)控區(qū)域幾何中心點，結(jié)合研究WSN應(yīng)用的背景，本文做如下假設(shè)：

（1）網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點具有唯一ID： ，其位置不可移動，Sink節(jié)點能量及計算能力不受限制，且能夠在預(yù)定的位置移動（其位置用點 表示）。

（2）傳感器節(jié)點能量有限，且初始能量相同。普通節(jié)點級別相同，而簇頭具有較高級別，簇頭能夠直接與Sink通信。

（3）傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)相同，具有接受和傳遞數(shù)據(jù)功能，所有節(jié)點的發(fā)射功率是可以調(diào)節(jié)的，且普通節(jié)點可以成為簇頭節(jié)點。

（4）每個節(jié)點地理位置信息確定。

3.2基于路由表的WSNs路由算法[14]

5 結(jié)語

基于經(jīng)典WSNs路由算法LEACH和PEGASIS算法，本文設(shè)計了一種OMNET++仿真下的路由表算法。仿真結(jié)果表明，該算法可以能夠有效地均衡網(wǎng)絡(luò)能量，提高網(wǎng)絡(luò)生存周期。

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